《环境工程原理》课程授课教案（讲稿）第08章 吸收

课程名称：环境工程原理摘要第一节吸收的基本概念一、吸收的定义与应用二、吸收的类型第二节物理吸收一、物理吸收的热力学基础二、物理吸收的动力学基础第三节化学吸收第八章吸收一、化学吸收的特点二、化学吸收的平衡关系三、化学吸收的传质速率第四节吸收设备主要工艺计算一、吸收设备工艺简述二、填料塔吸收过程的物料衡算与操作线方程三、吸收剂用量的计算四、填料层高度的基本计算本讲的要求及重点难点：【目的要求】要求学生了解吸收的定义、类型与应用，了解化学吸收的特点，了解吸收设备的主要工艺，理解操作线、平衡线的关系。掌握亨利定律、相平衡及其在吸收过程中的计算应用，掌握物理吸收过程的传质机理和双膜理论，掌握总传质速率和传质阻力的相关计算；掌握化学吸收的平衡关系和传质速率的计算；掌握填料塔全塔物料衡算，掌握吸收剂用量的计算，理解填料塔高度计算的原理。【重点】亨利定律、相平衡关系等的相关计算，物理吸收过程的机理和双膜理论，总传质速率和传质阻力的计算，化学吸收的传质速率，填料塔全塔物料衡算，用操作线、平衡线的关系确定吸收剂用量，填料塔高度的计算。【难点】亨利定律、相平衡关系等的相关计算，总传质速率和传质阻力的计算，填料塔全塔物料衡算，用操作线、平衡线确定吸收剂用量的计算，填料塔高度的计算。内容【本讲课程的引入】自然界是混合体系。在生活和生产过程中常常会遇到对混合体系中的物质进行分离的问题。在环境污染防治领域，研究对象都是混合体系（非均相和均相）。因此我们要学习分离过程原理。分离在环境污染防治中有非常重要的作用：将污染物与污染介质或其他污染物分离开来，从而达到去除污染物或回收利用的目的。分离过程包括机械分离和传质分离。机械分离是针对非均相混合体系，比如沉降、过滤，分别为第六、七章内容：传质分离是针对均相混合体系，包括平衡分离过程（如第八章吸收，第九章吸附，第十章中的萃取）和速率分离过程（第十章的离子交换、膜分离）。所以第二篇内容如下：第六章沉降：第七章过滤：第八章吸收：第九章吸附；第十章其他分离过程。下面学习传质分离过程中的吸收。1

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【本章课程的内容】第八章吸收S8-1吸收的基本概念一、吸收的定义与应用1、基本概念吸收是混合气体分离最常用的操作方法之一。吸收是依据混合气体各组分在同一种液体溶剂中物理溶解度（或化学反应活性）的不同，而将气体混合物分离的操作过程。其本质上是混合气体组分从气相到液相的相间传质过程。吸收过程中的术语包括：液体溶剂称为吸收剂；混合气体中能显著溶于液体的组分称为溶质；几乎不溶解的组分是情性组分；吸收后得到的溶液称为吸收液；吸收后的气称为净化气。2、吸收的应用吸收在化工领域中有非常广泛的应用，例如：（1）净化原料气及精制气体产品：比如用水（或碳酸钾水溶液）脱除合成氨原料气中的CO,等。（2）制取液体产品或半成品：比如水吸收NO，制取硝酸：水吸收HC1制取盐酸等。（3）分离获得混合气体中的有用组分：比如用洗油从焦炉煤气中回收粗苯等。吸收在环境领域中同样有重要的应用：（1）在净化有害气体方面，湿式烟气脱硫是用水或碱液吸收烟气中S02，石灰/石灰石洗涤烟气脱硫；干法脱硫是用喷雾干燥烟气脱硫，SO,被雾化的Ca（OH)，浆液或NazCO,溶液吸收；再比如水、酸吸收净化含NOx废气。（2）回收有用物质：如用吸收法净化石油炼制尾气中的硫化氢的同时，还可以回收有用的元素硫。能够用吸收法净化的气态污染物主要有：SO，HS，HF和NOx等。3、吸收的特点与化工生产过程的吸收相比，采用吸收法净化气态污染物有以下特点：（1）处理气体量大，成份复杂，同时含有多种气态污染物；（2）吸收组分浓度低；（3）吸收效率和吸收速率要求高：（4）多采用化学吸收一一如碱液吸收燃烧烟气中低浓度的S02：（5）多数情况吸收过程仅是将污染物由气相转入液相，还需对吸收液进一步处理，以免造成二次污染。二、吸收的类型(1)按溶质和吸收剂之间发生的反应可分为：物理吸收：水净化含SO,锅炉尾气化学吸收：碱液净化含SOz锅炉尾气(2)按混合气体中被吸收组分数目可分为：单组分吸收：如用水吸收HC1气体制取盐酸多组分吸收：碱液吸收烟气（含S02，NOx，CO2，CO等）(3)按体系温度是否变化可分为：如果液相温度明显升高一一称为非等温吸收2

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如果液相温度基本保持不变一一称为等温吸收因此，单组分等温物理吸收是最简单和最基础的，我们从最简单最基础的内容来研究吸收的机理。【本节课程的小结】本节课主要讲了吸收的基本概念、应用和特点。要求掌握吸收的原理和基本术语，了解吸收的应用，掌握吸收法处理气态污染物的特点。【思考题】(1)简述吸收的基本原理和过程。(2)吸收的主要类型有哪些。(3)环境工程领域有哪些吸收过程。（4）利用吸收法净化气态污染物的特点有哪些S8-2物理吸收单组分等温物理吸收是最简单和最基础的，我们从最简单最基础的内容来研究吸收的机理。首先介绍物理吸收的热力学和动力学基础理论。一、物理吸收的热力学基础热力学讨论的是过程发生的方向、所能达到的极限及推动力。物理吸收仅仅涉及某一组分的简单传质过程。溶质在气液两相间的平衡关系是研究吸收热力学的基础。（一）气液平衡和亨利定律1.气液平衡在一定的条件（温度、压力等）下，气相溶质与液相吸收剂接触，溶质不断地溶解在吸收剂中，同时溶解在吸收剂中的溶质也在向气相挥发。随着气相中溶质分压的不断减小，吸收剂中溶质浓度的不断增加，气相溶质向吸收剂的溶解速率与溶质从吸收剂向气相的挥发速率趋于相等，即气相中溶质的分压和液相中溶质的浓度都不再变化，保持恒定。此时的状态为气、液两相达到动态平衡状态。溶质组分在气相中的分压称为平衡分压，溶质组分在液相中的饱和浓度称为平衡浓度。在平衡条件下，溶质在气液两相中的组成存在某种特定的对应关系，称为相平衡关系。提问：气态污染物浓度的表示方法有哪几种？液相中物质的浓度有哪几种表示方法？气液两相达到相平衡状态时，气、液两相中溶质的浓度存在函数关系，即亨利定律。2.亨利（Henry）定律在稀溶液条件下，温度一定，总压不大时，气体溶质的平衡分压和溶解度成正比，即：式中，pA—溶质在气相中的平衡分压，Pa；(8.2.1)溶质在液相中的摩尔分数：XA-PA = ExaE.一亨利系数，Pa。相平衡线是一条过原点的直线，即为亨利定律。注意：亨利系数取决于物系的特性和体系的温度。②亨利系数越大，说明气体越难以溶解于溶剂。③气体在溶剂中的溶解度随着温度的升高是降低的，因此，亨利系数是增大的。气体在各种条件下的亨利系数通常可以在手册中查到。例如：典型气体在水中的亨利系数，下列气体亨利系数的大小和溶于水的难以程度有何关系？25度时E (kPa)cO5.88×106CO21.66×105H2s0.552×105SO20.413×1043

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如果溶质的溶解度用物质的量浓度表示，则亨利定律可写为：式中，pA--溶质在气相中的平衡分压，Pa；Pi=S(8.2.2)H溶质A在液相中的物质的量浓度，kmol/m：CA-H-溶解度系数，kmol/(m3-Pa)。如果溶质在气液两相中的组成均以摩尔分数表示：(8.2.3)式中，m—相平衡常数；yA*=mxA一与溶液平衡的气相中溶质的摩尔分数；yA--溶质在液相中的摩尔分数。XA亨利定律虽然有不同的表达形式，但是其实质都是反映了溶质在气、液两相间的平衡关E=mp,E-C系。三个常数之间的关系为：H其中p为气相总压，Pa：Co为液相总物质的量浓度，kmol/m3。在单组分物理吸收过程中，惰性气体和溶剂物质的量是不变的，因此以它们为基准，用Y,=mX./[1+(1-m)X 1摩尔比表示平衡关系：(8.2.8)当溶液浓度很低时，XA很小，上式可近似写为：Y,=mX(8.2.9)因此，稀溶液时，气液两相物质的摩尔比也可以近似用线性关系表示。（二）相平衡关系在吸收过程中的应用相平衡是气液两相接触传质的极限状态。根据相平衡关系，比较气液两相的实际浓度和相应条件下的平衡浓度，可以判断传质的方向，计算传质的推动力，确定传质过程的极限。1.判断传质过程的方向根据相平衡，计算平衡时溶质在气相或液相中的组成，与实际的组成比较，可以判断传质方向。实际液相组成<平衡组成，溶质从气相向液相传质，吸反之，则从液相向气相传质。收yA用气、液两相平衡图来判断更加直观。根据初始状态点在平衡图中解吸所处的位置来判断。XA2.计算传质的推动力实际组成与平衡组成之间的差距即为推动力。有不同的表示方法：Ap=PA-pA气相：AY=YA-A(8.2.12)(8.2.10)尾气吸收剂液相：Ax=x-XA(8.2.13)(8.2.11)AC=CA-CAJ2专3.确定传质过程的极限溶质在气液两相间的传质过程不是无限制地进行的，传质过程的极限状态就是平衡状态。以逆流接触吸收塔为例，（1）如果希望溶质在塔底流出的吸收液中溶质的浓度尽可能的高，可以通过增加塔高、增加气体的量、减少混合气吸收液吸收剂的用量来实现，但是这种增加是有限度的，塔底吸收液中溶质Xy的浓度x最高只能达到与入塔气体中溶质浓度相平衡的程度，即8-2-1(8.2.14)m在治理气态污染物时，希望通过吸收操作使出塔气体中的污染物浓度尽可能地低。可以通过增加塔高，减少处理气体的量，增加吸收剂的量来实现。但是出塔气体中溶质的最低浓度y2只能达到与入塔吸收剂中溶质浓度x2相平衡的浓度，即(8.2.15)yz ≥y, = mx24

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因此，相平衡关系限定了气体出塔的最低浓度和吸收液出塔的最高浓度，但是这种平衡关系是有条件的，可以通过改变平衡条件，例如操作条件得到新的平衡关系，以利于传质过程达到预期的自的。二、物理吸收的动力学基础吸收动力学针对的问题是传质速率的快慢及其影响因素。（一）吸收过程机理吸收过程是一种典型的由气相向液相的传质过程，一般可分解为三个基本步骤：①溶质由气相主体传递至两相界面，即气相内的传递；②溶质在两相界面由气相溶解于液相，即相际传递③溶质由界面传递至液相主体，即液相内的传递可见，溶质在气液两相间的传质过程可以分为两个方面：相内传递和相际传递。这两个传递过程的机理也是不一样的。由于相界面和界面附近流体流动状态和传质过程很复杂，虽然人们提出了各种不同的传质模型，至今仍没有一个完美的理论能说明两流体相间在各种不同情况下的传质效果。应用比较普遍的是1923年威特曼提出的双膜理论。（二）双膜理论相界面针对气体吸收传质过程，11双膜理论的基本论点如下：pA1117①相互接触的气液两相流pAi11体间存在着稳定的相界面，界溶质IA-11中面两侧分别有一层虚拟的气膜T71和液膜。液相主体1气相主体11cAi②在相界面处，气液两相--cA在瞬间即可达到平衡，界面上-一-4没有传质阻力。4③在膜层以外，气液两相1GL/流体都充分动，不存在浓度cAi-HpAi梯度，组成均一，没有传质阻力。亨利定律(N)e= ke(Pa-Pa)=- PAPai气相对流传质的速率方程：1(8.2.16)kgkG—以气相分压差为推动力气膜传质系数，kmol/(m2-sPa)(N),=k(ca-c)=C±=(8.2.17)液相对流传质的速率方程：1k,kl--以液相浓度差为推动力的液膜传质系数，m/s双膜模型假设溶质以稳态分子扩散方式通过气膜和液膜，因此，气相和液相的对流传质速率相等。以上两式中均用到了相界面处溶质的浓度，很难直接准确测定，一般希望能够直接用气液两相主体浓度来计算传质速率。因此，一般用总传质速率方程来描述吸收过程更为方便。（三）总传质速率方程在气液界面上，应用亨利定律：CA=HpACA=HpA(NA),=ki(ci-c)= Pa_P)液膜传质速率方程改写成：(8.2.19)1Hk,（8.2.16）和（8.2.19）联立消掉pAi，得气相总传质速率方程为：5

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